基于zSpace虛擬現實技術的學校科學課應用與分析

馮建平 康志敏 吳麗華

摘? ?要：利用zSpace虛擬現實技術仿真真實情景，供學習者觀察和學習，通過實驗，使學習者獲得VR課堂的體驗與啟發，從而教導學生通過虛擬現實完成課堂實驗。文章從學校科學課進行設計，將傳統科學課課堂和利用虛擬現實技術的科學課課堂進行對比分析，引出虛擬現實技術對于科學課的重要性和必要性。

關鍵詞：虛擬現實;學校科學課;應用;對比分析

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術中的增強現實（Augmented Reality，AR）可以被定義為一個滿足以下3個基本特征的系統：真實和虛擬世界的融合、實時交互、虛擬和真實物體在3D空間中的精確匹配。應用中它將虛擬三維模型動畫、視頻、文字、圖片等數字信息實時疊加顯示到真實場景中，用戶可在現實環境中與虛擬信息實現人機自然交互。虛擬現實的范圍很廣，包括增強現實，是廣義虛擬現實的擴展，但是現在常把虛擬現實技術和AR并列提出，由于AR較VR更加強調現實和虛擬的融合，在游戲、娛樂等方面應用廣泛，本文主要探討增強現實在教育方面的應用與實踐體會，關注的問題主要體現在：（1）抽象的學習內容可視化、形象化。（2）支持泛在環境下的情景式學習。（3）提升學習者的存在感、直覺和專注度。（4）使用自然方式交互學習對象。（5）傳統學習與新型學習相結合等問題。與Flash課件和其他3D建模軟件相比，本文基于zSpace虛擬現實技術的軟件具有實現虛擬現實技術的效果和方便的交互性，因此逐漸被應用到教育中，使學生學習探究更直接、更自然[1]。

基于zSpace虛擬現實技術的軟件系統作為教師教學和學生學習的媒體效果，為更好地輔助教師完成教學任務，本團隊設計一套教學模式，用于表達在創設真實情景的條件下，分析虛擬現實學生學習探究的影響，設計的教學過程模型如圖1所示。

1? ? 基于虛擬現實技術的學習方案的設計思路

基于虛擬現實的教學應用場景有很多種，如教學情境導入、體驗與驗證、操作與訓練、自主探究等，那么關于自主探究式的學習方案的設計（見圖2）主要分為4個部分：確定學習目標、創設問題情景、設計探究支架、總結與反思。

對于學生來說，有許多抽象的經驗是不能理解的，那么在過去的教學中，老師是將抽象的經驗轉化為觀察的經驗，這樣學生可以對抽象的經驗有一些較深的了解，隨著素質教育的提出以及國家政策的頒發，越來越強調培養學生的操作能力、創新能力。通過記憶學習金字塔（見圖3）可以得出如下結論：“我聽了，我忘了”“我看了，我記住了”“我做了，我明白了”。這也是為什么傳統的教學正在轉向自主探究式教學，傳統的學習方式轉變為自主探究式學習。虛擬現實技術帶來的是將抽象的經驗轉化為做的經驗，從而達到“我做了，我明白了”。將虛擬現實技術與自主探究式學習相結合，無異于“錦上添花”。在確定學習目標時，可以將目標定得更具體，而不只局限于了解;在創設問題情境時可以更豐富;在設計探究支架時可以選擇更多的操作;在總結時可以讓學生有更深的體會和更多的思考[2]。

2? ? 基于虛擬現實技術的學習方案的設計原則與目標

虛擬現實技術應用于教學，要將以學生為中心的教育理念為指導，提倡混合式的教學方式，注重學習的過程，敢于讓學生犯錯，讓他們嘗試不同的方案，同時學習方案的設計要進行轉變，體現知識傳播者就是學習活動設計者、學習資源使用者就是學習資源創作者、抽象經驗能與做的經驗相互結合。學習目標設計上也要充分體現知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀的培養，使學生全面發展[3]。

3? ? 教學實驗環境搭建

本文在搭建基于zSpace虛擬現實技術實驗教學環境的平臺中，選擇某學校3個班，授課12節，每節課平均學生約42人，配備zSpace虛擬實驗機7臺，1臺教師用PC機，10臺學生用PC機，4～5人每組使用一臺機器，需要的設備還有交互式電子白板和普通黑板。

研究分析過程參考Guay等編制的學生動機量表設計了聽課質量評價量表（學生用表），評價主要分為自評、同伴互評、師評3個部分，每一個部分設定多條評價準則，每條準則分為5個等級，制作一個總表（教師用表）來計算均值以便教師統計，并根據每節課不同的授課內容進行部分改變，以便學生進行自評。

4? ? 虛擬現實技術與學生聽課質量相關性分析

在幾個月教學實驗研究過程中，采用對比分析的手段，選擇3個班級通過對于學生聽課質量的變化得出虛擬現實技術與聽課質量的相關性，首先，構建思維導圖來將學生聽課質量的因素分類，從各個因素出發研究，以便于研究的準確性和具體性。根據布魯姆教學目標（布魯姆教學目標共分3大類：認知領域、情感領域、動作技能領域）以及三段式評價模型（三段式評價模型主要分為前期評價、過程評價、總結評價），在本研究中將學生聽課質量影響因素分為6類：（1）與教師互動的情況。（2）課程預習單的完成程度。（3）課堂注意力。（4）課堂的學習興趣和動力。（5）任務完成度。（6）小組合作狀態。其中，（2）（5）為認知領域，（1）（3）為動作領域，（4）（6）為情感領域。為每個因素設計一個或多個問題，根據里克特量表5級原理設定，每個問題分為5級并做了一些變形，計算統計和量化實驗結果，從而使得分析更加準確。

實踐研究實施過程中，針對研究對象四年級的學生所具有的特征：學習者自身方面特征，此階段的學生不像一二年級的那么懵懂，有了自己的意識和判斷，常常會因為自己的想法與別人有不同所以會產生逆反心理。意志力又不夠堅定，很容易就會有挫敗感，從而喪失信心感到頹廢。學習方面的特征，該階段的學習者，接觸到的知識增多，學習內容的難度加大，同學之間的差距會相較于之前大了一些，競爭的心理和旺盛的求知欲會讓學習者有一股不怕輸不服輸的特點。因此在實驗中，要結合學生的特征，將這些因素的影響降到最小，以保證調查的準確性以及科學性。實踐研究過程中對量表的處理，就量表效度與信度進行分析，建構效度反映能夠測量出理論的特質或概念的程度，為檢驗問卷是否具備結構效度，最常用的方法是因子分析法。根據學者Kaiser觀點，如果KM0的值在0.70以上，代表題項變量間的關系是適中的;Bartlett球形檢驗達顯著時，代表母群體的相關矩陣間有共同因素存在，適合進行因子分析25。

信度是指測驗或量表工具所測得結果的穩定性及一致性。本研究采用克隆巴赫（Cronbach）α信度系數進行信度評價;一般而言，Cronbach α系數在0.7～0.8之間表示內部一致性較好，可以接受;在0.8～0.9之間表示理想，信度很高。信度評價如表1所示，課堂聽課質量相關因素對比如圖4所示。

5? ? 虛擬現實技術學習效果分析

經過數據分析，基于zSpace虛擬現實技術應用于課堂，對于學生科學課的聽課質量有一定影響，且能夠提高學生的體驗感，主要體現在以下幾方面：

（1）沉浸式學習，借助虛擬現實技術，學生可以“現場”體驗現實生活中很難或無法體驗的場景，抽象概念的缺陷被彌補，能夠更容易理解，對于學習有整體性的感受，這使得學習者輕松愉悅的學習。

（2）交互式學習，基于zSpace虛擬現實技術不但可以再現真實場景，還具有很強的交互性，能夠實現電腦和學生相互交互，創造個性化學習環境，學生探索在課程融合的基礎上進行，自由、開放、創新、充滿樂趣。

（3）高效率學習，一方面，虛擬現實技術能夠“占領”學生的視覺、聽覺甚至觸覺等多個感覺通道，多感官的參與可以提高學習效率。另一方面，虛擬現實技術切斷了學生與周圍世界的感官聯系，讓學生“沉浸”在與學習內容的交互過程中，隔離了外界干擾。學生可將各個學科融合到一個探究之中，學習者免除了學習單一學科的枯燥，加強了各個學科之間的關聯，提高了科學素養，實現了素質教育。

通過基于zSpace虛擬現實技術的課堂實踐活動與分析，感受到教學活動要體現以學習者為中心，教學設計要創設真實教學情景，并最大限度地與各學科的融合，讓學生在學到知識的同時，體現出學習者的自主性、目標感和必備能力。

[參考文獻]

[1]李建生.小學科學課結合虛擬現實技術進行教學的應用研究—以信息技術輔助系統教學評價為例[J]課程教育研究，2018（13）：174.

[2]郭陶陶 尚雪峰.初等教育專業學生科學實驗技能的訓練與提高[J]長春師范學院學報，2014（2）：177-179.

[3]郭騰.創設虛擬學習情境 豐富小學科學課堂[J]中國現代教育裝備，2009（12X）：2.

Application and analysis of school science class based on zSpace virtual reality technology

Feng Jianping， Kang Zhimin， Wu Lihua

（Hainan Normal University， Haikou 570100， China）

Abstract：Using the virtual reality technology of zSpace to simulate the real situation， for the learners to observe and study， through the experiment， the learner can obtain the experience and the inspiration of the VR class， so as to teach the students to complete the classroom experiment through the virtual reality. This paper， from the design of the school science class， compares the traditional science class class and the science class classroom with the virtual reality technology， and educes the importance and necessity of the virtual reality technology to the science class.

Key words：virtual reality; school science; application; comparative analysis